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Spitzendruckmesser Die Messung schnell veränderlicher Drücke in der
Technik und Wehrtechnik bietet verhältnismäßig große Schwierigkeiten infolge der
außerordentlich hohen Anforderungen, die an die Trägheitslosigkeit der verwendeten
Meßinstrumente gestellt werden müssen. Man hat sich deshalb insbesondere bei der
Druckmessung in Feuerwaffen (Gewehren, Geschützen und Druckbomben) lange Zeit darauf
beschränkt, lediglich den Spitzendruck zu messen. Obgleich für die Messung des Spitzendruckes
eine Reihe von Verfahren angegeben worden sind, hat sich in der Praxis nur das von
dem Engländer N o b l e angegebene Stauchverfahren eingeführt, bei dem durch den
zu messenden Druck ein Metallzylinder plastisch verformt wird, so daß aus der Verkürzung
dieses Zylinders auf den Spitzendruck geschlossen werden kann. Obgleich dieses Meßverfahren
in seiner Handhabung recht einfach ist, hat es doch eine Reihe von Mängeln, die
in dem dynamischen Verhalten des Stauchkörpers bzw. des Druckübertragungsstempels
begründet sind. Deshalb sind die mit dem Stauchzylinderverfahren erhaltenen Spitzendrücke
mit Fehlern behaftet, die in ihrer Größe von der Art de gemessenen Druckablaufies
abhängig sind.
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Erst in den letzten Jahren ist neben dem Stauchverfahren mit Erfolg
das piezoelektrische Druckmeßverfahren in Anwendung gekommen, bei dem an Stelle
des Kupferzylinders ein Quarzkörper elastisch durch den zu messenden Druck deformiert
wird. Die bei einer solchen Deformation auf dem Quarz entstehenden piezoelektrischen
Ladungen werden verstärkt und einer geeigneten Aufzeichnungseinrichtung, beispielsweise
einem Kathodenstrahloszillographen, zugeführt. Mit Hilfe dieser Einrichtung ist
es möglich, ohne grundsätzliche Fehler den gesamten Druckverlauf aufzuzeichnen,
aus dem sich naturgemäß auch der Maximaldruck als Spitzenwert der aufgezeichneten
Gasdruckkurve ohne weiteres entnehmen läßt. Den unbestrittenen Vorteilen des piezoelektrischen
Indikators steht lediglich der Nachteil entgegen, daß die gesamte Apparatur immerhin
wesentlich
umfangreicher als die normale Staucheinrichtung ist und
daß infolge der photographischen Aufzeichnung eine längere Zleit zwischen der Druckmessung
und der Möglichkeit einer Auswertung vergeht.
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Nach der Erfindung wird ein vorteilhafteres Verfahren zur Messung
des Spitzen druckes angewandt, das - die Vorteile beider Meßver. fahren, nämlich
die des Stauchzylinders: Einfachheit und sofortige Ermittlung des Meßwertes, und
die des piezoelektrischen Verfahrens: Freiheit von Trägheitserscheinungen und damit
bedingte Zuverlässigkeit, in sich vereinligt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung von Spitzendrücken mittels
piezoelektrischer Quarze, bei dem die vom Quarz erzeugte Ladung auf einen Kondensator
übertragen wird unter Verwendung einer Ventilröhre, besteht darin, daß diese parallel
zum Quarz geschaltet ist und diejenige Ladung gemessen wird, die nach Beendigung
des Druckvorganges auf einem zum Quarz ebenfalls parallel geschalteten Kondensator
bleibt und in ihrer Größe dem Spitzendruck proportional ist.
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Eine Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
gekennzeichnet durch die Verwendung eines geeigneten Indikators (z. B. eines Röhrenvoltmeters,
eines Einfadenelektrometers oder eines Quadrantenelektrometers oder eines anderen
elektrostatisch messenden Instrumentes) zur Messung der nach Beendigung des Druckvorganges
am Quarz vorhandenen Spannungen.
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Ferner ist gemäß der Erfindung ein zwischen dem Quarzkreis und dem
Eiektrometermeßkreis liegender hochobmiger Widerstand vorgesehen.
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Es wird gemäß der Erfindung noch ein zwischen Quarzkreis und Elektrometermeßkreis
liegender Schalter vorgesehen, der erst nach Beendigung des Druckvorganges geschlossen
wird.
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Das Merkmal dieser Anordnung besteht darin, daß dieser Schalter durch
eine mit dem zu messenden Vorgang in Verbindung stehende Vorrichtung, z. B - über
ein Relais, betätigt wird, das durch einen weiteren vom Mündungsdruck betätigten
Schalter ,gesteuert wird.
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Es ist zwar an sich bekannt, eine Diodenstrecke und einen Quarz in
Serie zu schaltern, jedoch treten bei dieser bekannten Einrichtung schwerwiegende
Nachteile auf. Es ist nämlich einerseits notwendig, den gesamten Diodenkreis einschließlich
der Batterie, der Regelwiderstände, der Instrumente usw. gegen Erde hoch zu isolieren
oder andererseits den gesamten Röhrenvoltmeterkreis hoch zu isolieren. Ferner benötigt
eine solche Einrichtung getrennte Heizbatterien und getrennte Meßgeräte für den
Diodenkreis und für das Röhrenvoltmeter. Die Kapazität des Diodenkreises bzw. des
Röhrenvoltmeterkreises gegen Erde ergibt eine Veränderung der am Quarz auftretenden
Potentiale und ist zudem unbestimmt, da je nach Anordnung der Batterie und der zugehörigen
Verbindungsleitungen diese Kapazität in ihrer Größenordnung schwankt. Zudem wird
die Abschirmung des Gerätes bei einer solchen Anordnung erschwert. Ferner wird bei
der Serienschaltung durch die Diode nur der Teil der Kapazität aufgeladen, der auf
der Anbodenseite der Diode liegt. Der übrige Teil der Kapazität, der durch Vorwiderstände,
Meßinstrumente und Batterie gebildet wird, ist daher als schädliche Kapazität anzusehen
und entlädt sich im Augenblick des Druckrückganges automatisch mit. Da bei Druckrückgang
ein Teil der Ladung auf dem Aufladekondensator verbleibt, also dem Quarz entzogen
ist, lädt sich diese schädliche Kapazität entgtegengels,etzt auf, und es bildet
sich zwischen der Meßkapazität und der schädlichen Kapazität eine relativ hohe Spannungsdifferenz
aus. Es ist ferner erforderlich, nach jedem Meßvorgang sowohl die schädliche Kapazität
als auch die Meßkapazität durch einen Kurzschlußschalter zu entladen, da sonst die
weiteren Messungen verfälscht werden. Eine Verfälschung des Meßvorganges tritt ebenfalls
dadurch ein, daß sich ein Teil der auf dem Meßkondensator liegenden Ladung über
die Kapazität der Diode durch Infiuenz auf die schädliche Kapazität überträgt. Besonders
große Isolationsschwierigkeiten treten ein wenn mit einem Netzgerät gearbeitet wird,
da in diesem Falle eine hohe Isolation bestimmter Wicklungen des Transformators
erforderlich ist, die jedoch nie so hoch getrieben werden kann, daß der Meßvorgang
praktisch unbeeinflußt bleibt.
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Ferner ist bei der Serienschaltung eine enge Verbindung des Druckelementes
mit der Meßdiode, was für eine einwandfreie Messung erforderlich ist, und eine entsprechend
lange Verbindungsleitung zwischen dieser Gruppe und dem Röhrenvoltmeter nicht durchführbar,
da die Kapazität der HJeizleitung zur Diode den Vorteil einer engen Verbindung zwischen
Diode und Druckelement wieder aufhebt.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden alle diese Nachteile
beseitigt.
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Ein bekanntes Verfahren läuft darauf hinaus, zur Ermittlung des Spitzendruckes
die von einem Quarz während des Druckanstieges erzeugte Ladung über eine Entladevorrichtung
einem ballistischen Meßgerät zuzuführen.
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Die Anzeige des ballistischen Galvanometers
ist der
durchgegangenen Elektrizitätsmenge und somit dem Spitzendruck proportional.
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Das ballistische Galvanometer erhält also nur beim Druckanstieg einen
Impuls, dessen Größe aus dem Umkehrpunkt des Galvanometerausschlages ermittelt wird.
Eie Ablesung über längere Zeit ist dagegen nicht möglich. Dies ist ein Nachteil,
denn die Ablesung eines ballistischen Instrumentes im Umkehrpunkt des Zeigerausschlages
setzt eine gewisse Übung voraus. Da die Ablesung des Instrumentes während des Schusses
erfolgen muß, können auch äußere Eindrücke, z. B. der Knall des Schusses, ablenkens
und ungünstig auf die ablesende Person einwirken und dadurch zu einer fehlerhaften
Ablesung des Meßergebnisses führen. Weiterhin ist das Meßinstrument während der
Ableseperiode, d. h. während des Schußvorganges, starken Erschütterungen, z. B.
der Luftdruckwelle, ausgesetzt, was ebenfalls das Anzeige instrument in seiner Funktion
ungünstig beeinflußt.
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Es sind auch Meßgeräte für Spitzendruckmessungen bKekanntgeworden,
hei denen man in einem Stromkreis, und zwar in einer Brückenschaltung, Trockengleichrichter
verwendet und dabei die durch einen Quarz lerzeugte Elektrizitätsmenge in beiden
Phasen des Druckvorganges mißt. Auch hier blestehen die Nachteile, die ein ballistisches
Meßgerät mit sich bringt. Im übrigen ist eine genaue Messung nach diesem Verfahren
insofern nicht möglich, als erfahrungsgemäß die Sperrwirkung von Trockengleichrichtern
niemals so vollkommen ist, daß eine auch nur annähernd richtige Anzeige des Meßdruckes
dabei gewährleistet ist.
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Eine von der Erfindung weiter abseits liegende Vorrichtung betrifft
die Messung von Scheitelwerten von Wechselspannungen. Hier werden die Spannungfswierte
eines Transformators über ein Ventilrohr auf leinen Kondensator übertragen. Die
Schaltung stellt eine Gleichrichterschaltung dar, in der sich, der Kondensator,
da er im wesentlichien unbelastet ist, auf die Scheitlelspannung der Transformatorenwicklung
auflädt. Zur Verwendung der Einrichtung zum Messen von Spitzendrucken mittels piezoelektrischer
Quarze ist jedoch diese Einrichtung nicht vorgeschlagen worden.
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Ein besonderer Vorteil des Ve'rfahr'ens nach der Erfindung besteht
noch darin, daß infolge der Potentialmessung auf einem Kondensator nach der Beendigung
des Druckvorganges eine statische Eichung durch beliebig lange auftretende Kräfte
möglich ist, während eine derartige Eichung bei Verwiendung eines ballistischen
Galvanometers überhaupt nicht durchführbar ist, da für das richtige Arbeiten dieser
Instrumente stets Voraussetzung ist, daß die Elektrizitätsmenge blereits durch die
Spule des Instrumentes geflossen sein muß, bevor diese eine merkliche Bewegung ausgeführt
hat.
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In der Zeichnung sind drei verschiedene, beispielsweise Schaltskizzen
dargestellt.
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Abb. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Meßschaltung für die
Spitzendruchmessung. Die von reinem Quarzkristall 1 erzeugte Ladung wird durch ein
Ventilrohr2 2 bis zum Erreichen des Mazimaldruckes abgeleitet, so daß nach Beendigung
des Druckvorganges auf einer durch die Leitung und Zusatzkondensatoren gebildeten
Kapazität 3 ein Potential bestehenbleibt, dessen Größe mit einem elektrostatisch
arbeitenden Voltmeter 4, beispielsweise einem Einsaitenelektrometer oder einem Röhrenvoltmeter,
ge--messen werden kann.
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Bei der Anordnung nach Abb. 2 enthält der Kreis neben dem Quarz 1,
dem Ventilrohr 2 und der Kapazität 3 des Quarzes und seiner Zuleitungen eine weitere
Kapazität 5, die gegenüber der Kapazität 3 möglichst groß sein muß. Ferner sind
lein Widerstand 6, an dessen Stelle auch lein Schalter treten kann, vorgesehen.
Diese Organe haben folgenden Zweck: Der Ladungsausgleich erfolgt bei zunächst offenem
Schalter über das Ventilrohr 2.
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Da die Gesamtkapazität des Kreises gering ist, treten am Ventilrohr
2 kurzzeitig hohe Spannungen auf und führen zu einem schnlellen und vollständigen
Ausgleich der Ladung.
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Die nach Beendigung des Druckvorganges auf dem Quarz 1 und der Zusatzkapazität
3 befindliche Ladung wird durch Schließen des Schalters auf die wesentlich größere
Kapazität 5 mit verteilt, so daß eine beträchtlich niedrigere Spannung an den Kapazitäten
3, 5 und dem Quarz I liegt. Diese Spannung wird mit Hilfe eines Röhrenvoltmeters
7 gemessein. Die Betätigung des Schalters kann durch eine mit dem zu messenden Vorgang
in Verbindung stehende Vorrichtung bewirkt werden; z. B. kann die Auslösung des
Schalters über ein Relais bewirkt werden, das durch einen weiteren vom Mündungsdruck
betätigten Schalter je steuert wird.
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Es kann auch an Stelle des Schalters ein hochohmiger Widerstand 6
von mehreren 100 M Q Verwendung finden. Infolge der großen Zeitkonstante des aus
dem Widerstand 6 und der Kapazität 5 gebildeten Kreises wird bei dem eigentlichen
sehr kurz andauernden Druckvorgang selbst nur wenig Ladung auf die Kapazität 5 übertragen,
so daß ebenso wie bei der vorher beschrieblenen Schalt mag am Ventilrohr 2 hohe
Spannungen auftreten, die zu einem schnellen Ladungsausgleich führen.
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Der Kondensator 5 lädt sich nach Beendigung des Druckvorganges erst
allmählich auf die durch die vorhandene Elektrizitätsmenge und die Gesamtkapazität
des Kreises bedingte Spannung auf, die in der gleichen Weise wie vorher mittels
des Röhrenvoltmeters gemessen wird.
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Die Anordnung gemäß Abb. 3 unterscheidet sich von derjenigen nach
Abb. 2 lediglich dadurch, daß das Potential der Kathode des Ventilrohres 2 mit Hilfe
einer Batterie 8 um einen durch die freie Gitteraufladung des Meßrohres bedingten
Betrag angehoben ist. Ferner ist eine Kompensationseinrichtung 10 vorgesehen, mit
deren Hilfe der Anodenstrom in dem Instrument 7 kompensiert werden kann, so daß
blei Anwendung eines empfindlichen Instrumentes sehr kleine Anodenstromänderungen
gemessen werden können. Schaltungsmäßig ist zweckmäßigerweise dabei die Anordnung
so getroffen, daß die Kathode des Elektrometerrohres 9 gegenüber dem Erdpotential
in ihrem Potential angehoben ist, so daß die Raumladungsspannung am Gleichrichterrohr
2 dem natürlichen Potentialzustand des Elektrometerrohres 9 entspricht.
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An Stelle des Anzeigeinstrumentes kann man gegebenenfalls einen Schalter
vorsehen, der bei Erreichen bzw. Überschreiten eines zulässigen Spitzen druckes
bestimmte Sich erheitsmaßnahmen, beispielsweise Blockierung der Waffe usw., vorsieht
bzw. eine Alarmeinrichtung zum Ansprechen bringt Auch kann der Spitzendruckmesser
mit einer Einrichtung kombiniert werden, mit der automatisch die Anzeige des Höchstdruckwertes
am Anzeigeinstrument photographisch registriert wird.
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In manchen Fällen wird es angebracht sein, den Spitzendruckmesser
in Verbindung mit einem registrierenden Anzeigeinstrument zu bringen, so daß die
Spitzendruckwerte der verschiedenen aufeinanderfolgenden Messungen in Form einer
Kurve niedergeschrieben werden.